曹永強(qiáng),馮興興,李玲慧,路 潔

遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 大連 116029

玉米作為世界第一大糧食作物,種植面積廣泛、生產(chǎn)潛力巨大,其在糧食安全及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位[1- 2]。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出,預(yù)計(jì)21世紀(jì)全球平均氣溫增幅可能超過(guò)1.5—2℃,以全球氣候變暖為主要特征的氣候要素變化已對(duì)世界環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了巨大威脅[3- 4]。氣候變化條件下,農(nóng)業(yè)氣候資源也相應(yīng)發(fā)生變化[5- 7]。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)氣候條件的依賴程度很高,任何程度的氣候變化都將給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)顯著影響,特別是作物生長(zhǎng)季內(nèi)水熱條件的變化[8]。玉米生產(chǎn)受氣候變化的影響十分顯著,因此,如何應(yīng)對(duì)氣候變化對(duì)農(nóng)作物帶來(lái)的影響成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)話題。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于氣候變化對(duì)糧食生產(chǎn)的影響進(jìn)行了廣泛研究,其方法主要是利用不同作物生長(zhǎng)模型以及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究不同時(shí)空尺度、作物類型生育期的溫度、降水、日照、蒸散量等氣候變量的時(shí)空特征及其與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)性評(píng)價(jià)[9- 12]。如何奇瑾等[13]利用ArcGIS空間分析對(duì)我國(guó)春玉米潛在種植分布區(qū)進(jìn)行研究,并進(jìn)行了玉米種植區(qū)劃；余會(huì)康等[14]研究表明增溫效應(yīng)對(duì)東北地區(qū)水稻生育過(guò)程產(chǎn)生重要影響,水稻冷害發(fā)生頻率逐年減少；薛亞榮等[15]認(rèn)為降水是影響塔城地區(qū)棉花灌溉需水量最大的氣象因子；Golovko等[16]研究了在相對(duì)寒冷潮濕的土壤和氣候條件下培育早熟玉米雜交種的可能性和前景；Labell等[17]認(rèn)為極端高溫對(duì)非洲玉米生產(chǎn)影響顯著,日最高溫度大于30℃的積溫每增加1℃,將導(dǎo)致玉米減產(chǎn)1.7%；同時(shí),Otkin和Wu等[18- 19]研究認(rèn)為,干旱對(duì)玉米種植產(chǎn)生巨大影響。綜合來(lái)看,以往研究缺乏對(duì)作物各生育期內(nèi)氣溫和降水時(shí)空特征的協(xié)同研究,致使難以明確氣候變化背景下的區(qū)域水熱協(xié)同變異過(guò)程對(duì)作物生育的影響；另外,對(duì)年代際間春玉米水熱變化趨勢(shì)及差異水平的研究鮮有發(fā)現(xiàn),而這在指導(dǎo)地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)與穩(wěn)定發(fā)展、中長(zhǎng)期規(guī)劃與種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中具有潛在價(jià)值。

遼寧省作為國(guó)家重點(diǎn)糧食產(chǎn)區(qū)之一,在《全國(guó)新增1000億斤糧食生產(chǎn)能力規(guī)劃(2009—2020年)》中,被定位為糧食生產(chǎn)核心區(qū)[20]。遼寧省玉米種植面積較廣闊,在遼寧省14個(gè)地級(jí)市中,12個(gè)以玉米為第一種植作物[21- 22]。近年來(lái),隨著全球氣候變化的不斷發(fā)展,東北地區(qū)氣候總體存在以“氣溫顯著增高,降水、日照時(shí)數(shù)減少”為主要特點(diǎn)的暖干化趨勢(shì),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)受到影響[23]。選取遼寧省1970—2018年近49年春玉米生育期內(nèi)19個(gè)氣象站點(diǎn)逐日氣象數(shù)據(jù),劃分為1970—1979、1980—1989、1990—1999、2000—2009、2010—2018年5個(gè)研究區(qū)間,從年代際尺度上分析氣候變化背景下遼寧省玉米生育期內(nèi)氣溫和降水氣候資源的時(shí)空變化特征及差異水平,旨在為優(yōu)化其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局,調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)提供理論與決策支持。

1 研究區(qū)域概況

遼寧省位于我國(guó)東北地區(qū)的東南部,38°43′—43°26′N,118°53′—125°46′E之間,南瀕黃海、渤海,總面積為14.8萬(wàn)km2(圖1)。遼寧省是我國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是遼寧省發(fā)展規(guī)劃的重要部分,其中玉米種植占據(jù)重要地位。遼寧省屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,且受海洋性氣候影響顯著；年平均氣溫7—11℃,年降水量為600—1100 mm,時(shí)空分布不均,東部多西部少,且多集中7—8月。遼寧省氣候自東南向西北由溫帶的半濕潤(rùn)向半干旱過(guò)渡,具有日照豐富、雨熱同季、積溫較高、降水較少的特征[24]。近年來(lái),氣候變暖下東北地區(qū)因緯度偏高,增暖明顯,降水量減少,熱量指數(shù)和水分虧缺指數(shù)隨年代呈波動(dòng)上升趨勢(shì),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到較大影響[25]。

圖1 遼寧省地理位置示意圖Fig.1 Location map of Liaoning Province

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),主要包括遼寧省近49年(1970—2018年)春玉米全育期內(nèi)19個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)的逐日氣象數(shù)據(jù)(圖2),主要包括日最高氣溫,日平均氣溫以及日降水量和各個(gè)站點(diǎn)的經(jīng)緯度等地理特征數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析基于 Excel 2010 和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,采用 ANOVA 進(jìn)行方差分析,顯著性水平P=0.05?？臻g分析采用 ArcGIS 10.0 軟件的克里金插值方法(Kriging)對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,生成空間柵格數(shù)據(jù),按掩膜提取后得到相應(yīng)的空間分布圖。

2.2 研究方法

2.2.1遼寧省春玉米生育期劃分及作物系數(shù)KC

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合遼寧省水利電力廳編制的《遼寧省抗旱資料匯編》及相關(guān)資料[26- 28],玉米生產(chǎn)經(jīng)歷播種、出苗、拔節(jié)、抽雄、灌漿、乳熟、成熟等主要發(fā)育時(shí)期,將遼寧省春玉米全育期劃分為5個(gè)階段(表1),具體劃分時(shí)間為播種期、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期,共歷時(shí)163 d。根據(jù)李晶等[29]對(duì)已有對(duì)遼寧玉米作物系數(shù)的研究,結(jié)合靳春香[30]對(duì)遼寧省春玉米作物系數(shù)的總結(jié),故本文選取KC(表2)。

圖2 遼寧省氣象站點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution map of meteorological stations in Liaoning Province

表1 遼寧省春玉米全育期劃分

表2 遼寧省春玉米作物系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2.2熱量指標(biāo)

氣溫是影響玉米生長(zhǎng)的重要條件之一,不僅影響作物的發(fā)育速度,同時(shí)也影響作物的產(chǎn)量。玉米為喜溫作物,氣溫的變化會(huì)直接影響玉米的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程,玉米生長(zhǎng)的最低溫度為10—12℃,適宜溫度為25—31℃[31- 33]。積溫學(xué)說(shuō)或者有效積溫學(xué)說(shuō)(≥10℃)是評(píng)價(jià)作物生長(zhǎng)期內(nèi)熱量的有效依據(jù),目前學(xué)者多使用平均氣溫作為判斷熱量的主要指標(biāo)。然而在作物實(shí)際生長(zhǎng)過(guò)程中,過(guò)高或過(guò)低的溫度都會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響[34]。為更好地分析玉米生育期內(nèi)的熱量條件,本文將采用度日指標(biāo)[35- 37]。

生長(zhǎng)度日(Growing degree days,GDD)是分析作物生長(zhǎng)期內(nèi)的熱量指標(biāo),文中是指日平均氣溫≥10℃的有效積溫。高溫度日(Heat degree days, HDD)是分析作物極端高溫的熱量指標(biāo),文中是指日平均氣溫≥31℃的積累溫度。本文利用度日指標(biāo)衡量春玉米全育期及各生育期的溫度累積程度,分析遼寧省春玉米不同生育期受溫度累積的可能程度及變化趨勢(shì)。

(1)

(2)

式中,Tave代表日平均氣溫,Tbase代表玉米全育期下限溫度,文中取值為10℃；Tmax代表日最高氣溫,Topt代表玉米生育期的上限溫度,文中取值為31℃。

2.2.3氣候傾向率

氣候傾向率是指氣候要素多年變化,xi表示樣本量為n的某氣候變量,ti表示xi對(duì)應(yīng)的時(shí)間,建立xi與ti的一元回歸方程。

xi=a+bti(i=1,2,...n)

(3)

式中,a指回歸常數(shù),b指回歸系數(shù),通常以b的10倍作為各氣候要素的氣候傾斜率。利用氣候傾向率分析1970—2018年5個(gè)不同年代際間遼寧省春玉米全育期及各個(gè)生育期的GDD、HDD和降水量的變化趨勢(shì)。

2.2.4干燥度指數(shù)

干燥度指數(shù)(Aridity index)是評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)干濕程度的重要指標(biāo),通常以某地區(qū)水分收支與熱量平衡來(lái)計(jì)算[2]。計(jì)算公式如下：

Aridity=1-P/ET0

(4)

式中,Aridity代表玉米在生育期內(nèi)的干燥度,P代表玉米在生育期內(nèi)的相應(yīng)累積降水量；ET0代表玉米在生育期內(nèi)的相應(yīng)作物蒸散量之和。如果Atidity小于0,表明該時(shí)段里降水量大于蒸散量,干旱不會(huì)發(fā)生,因此可以用0代替所有負(fù)值；如果Aridity大于0,表明該時(shí)段里干旱可能發(fā)生, 并且Aridity越大,干旱越嚴(yán)重。

農(nóng)作物蒸散量通常指農(nóng)作物在生長(zhǎng)期間蒸發(fā)蒸騰所消耗的水資源量,通常采用FAO(聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織)推薦的Penman-Monteith模型。

(5)

式中,Rn為凈輻射MJ m-2d-1；G為熱通量密度MJ m-2d-1；T(℃)為日平均溫度；u2為2m高處風(fēng)速(m/s)；es為飽和空氣水汽壓(kPa)；ea為空氣水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的梯度(kPa/℃)；γ為濕度計(jì)常數(shù)；Gn、Gd為固定常數(shù),在估算逐日潛在蒸散發(fā)量時(shí)取值分別為900和0.34。

由于不同地區(qū)地貌地形條件的不同,根據(jù)不同地區(qū)作物系數(shù)KC對(duì)蒸散量ET0進(jìn)行修訂,得到作物需水量ETc。因此,采用修訂后的干燥度指數(shù)公式為：

ETC=KC×ET0

(6)

Aridity=1-P/ETc

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同年代遼寧省春玉米全育期生長(zhǎng)度日GDD時(shí)空特征分析

遼寧省不同年代際間春玉米各個(gè)生育階段GDD平均值及氣候傾向率見(jiàn)表3?？傮w來(lái)看,1970—2018年遼寧省春玉米全育期GDD以44.23℃·d/10a的速率上升,不同年代際春玉米生長(zhǎng)度日(GDD)在苗期、成熟期以及全育期存在顯著差異,且顯著性水平通過(guò)0.05檢驗(yàn)；表明不同年代際溫度在苗期、成熟期以及全育期變化幅度存在明顯差異。此外,各個(gè)生育階段內(nèi)春玉米GDD呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),在播種期增長(zhǎng)速率最高,氣候傾向率均呈正向變化。其中,2010—2018年間春玉米GDD在各個(gè)生育階段增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯大于其他階段,將意味著春玉米播種期的提前,生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)[38]。同時(shí),近年來(lái)GDD增幅明顯,2000—2018年苗期春玉米GDD明顯大于1970—1979年(P<0.05),1970—1979年成熟期春玉米GDD明顯低于1990—2018年,2000—2009年GDD值顯著高于其他年際(P<0.05),2000—2018年全育期內(nèi)春玉米GDD明顯大于1970—1989年(P<0.05),表明春玉米全育期生長(zhǎng)熱量總體在持續(xù)增加。

遼寧省春玉米1970—2018年不同年代際全育期GDD空間分布如圖3所示。近49年,遼寧省春玉米全育期GDD范圍在1317.23—1980.53℃·d之間；GDD空間分布上由西北向東南沿海遞增,局部地區(qū)顯著增長(zhǎng)。GDD高值區(qū)范圍主要分布在遼寧省西部和中部地區(qū),低值范圍主要分布在遼寧省東部地區(qū),與王培娟[39]對(duì)東北地區(qū)春玉米生育期熱量研究的結(jié)果一致,同時(shí)與整個(gè)東北春玉米冷害危險(xiǎn)性指數(shù)呈自西南向東北方向遞增的空間分布格局相呼應(yīng)[40]。由圖3可以看出,1970—1979年GDD差值不大,1980—1999年西北部地區(qū)GDD增加明顯,2000—2018年遼寧省GDD整體增加,高值區(qū)主要向朝陽(yáng)、鞍山及營(yíng)口等地區(qū)集中,其主要原因是朝陽(yáng)、鞍山及營(yíng)口等地區(qū)溫度增大于其他地區(qū),為0.5—1℃,其他地區(qū)平均增幅多為0—0.5℃[41]；低值區(qū)主要出現(xiàn)在清原、寬甸及周圍地區(qū),溫度的區(qū)域分布特點(diǎn)可能受地形及海洋影響[42]。總體上,GDD呈現(xiàn)上升趨勢(shì),空間分布上由西北向東南擴(kuò)增,同時(shí)地區(qū)間差異逐漸減小,遼寧省春玉米全育期的熱量增加有利于春玉米發(fā)育及產(chǎn)量增加。

表3 1970—2018年各個(gè)年代際遼寧省春玉米不同生育期GDD平均值及氣候傾向率

圖3 1970—2018不同年代春玉米全育期生長(zhǎng)度日(GDD)空間分布Fig.3 Growing degree days (GDD) spatial distribution of growing day of spring maize in 1970—2018 from different eras

3.2 不同年代遼寧省春玉米全育期高溫度日HDD時(shí)空特征分析

遼寧省不同年代際間春玉米各個(gè)生育階段HDD平均值及氣候傾向率見(jiàn)表4?？傮w來(lái)看,1970—2018年遼寧省春玉米全育期HDD以4.77 ℃·d/10a的速率上升,在2010—2018年變化速率最為明顯,且不同年代際間春玉米高溫度日(HDD)在相同生育階段內(nèi)未達(dá)到顯著差異水平,表明HDD在不同年代際不同生育期雖有差異,但差異顯著性水平未達(dá)到0.05。整體上春玉米HDD在拔節(jié)期的均值明顯大于其他生育階段,在2000—2009年表現(xiàn)尤為顯著,其次為成熟期。同時(shí),從各個(gè)生育階段來(lái),近49年春玉米HDD增長(zhǎng)期主要在抽穗期和拔節(jié)期,在抽穗期HDD的增長(zhǎng)最為明顯。據(jù)歷史資料顯示,2000—2009年,遼寧省干旱發(fā)生頻繁,2000,2001年、2007年、2009年均出現(xiàn)了較大旱情,可能與氣溫升高、降水減少有關(guān)。

遼寧省春玉米1970—2018年不同年代際全育期高溫度日HDD空間分布如圖4所示。近49年來(lái),HDD在不同年代際的范圍變化幅度明顯,在空間上整體表現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì),遼西北地區(qū)增長(zhǎng)顯著；在空間變化上由西北地區(qū)向東南沿海增大,其主要原因可能是西部、中部地區(qū)高溫日數(shù)普遍于沿海和東部山區(qū)[43]。1970—1999年間HDD增長(zhǎng)趨勢(shì)較2000年后的增長(zhǎng)趨勢(shì)低；2000—2018年HDD增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯上升,其中2010—2018年間HDD顯著高于其他階段；高值區(qū)主要在朝陽(yáng)和葉柏壽地區(qū)集中,可能與其降水少、蒸發(fā)大、植被少等因素有關(guān)[24],其次在遼寧中部地區(qū),主要是鞍山一帶,與其地區(qū)氣溫增加幅度顯著有關(guān)；整體來(lái)看,以朝陽(yáng)為中心的遼西北地區(qū)高值區(qū)變化范圍明顯,80年代末開(kāi)始突變的氣候變暖持續(xù)影響至今,朝陽(yáng)地區(qū)氣溫整體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)且最高和最低增溫的強(qiáng)弱在時(shí)間上表現(xiàn)出不一致性[44]。HDD的增長(zhǎng)不僅表明春玉米全育期內(nèi)熱量的增加,也意味著蒸發(fā)加劇,作物生育期水分虧缺指數(shù)增加,高溫干旱的風(fēng)險(xiǎn)將大大增強(qiáng)[2]。總體上,近49年來(lái)HDD呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),在空間上與生長(zhǎng)度日GDD分布趨勢(shì)大體一致。

3.3 不同年代遼寧省春玉米全育期降水量時(shí)空特征分析

遼寧省不同年代際間春玉米各個(gè)生育階段降水量平均值及氣候傾向率見(jiàn)表5。1970—2018年遼寧省春玉米全育期降水量以4.93 mm/10 a的速率下降,年際變化大,波動(dòng)性強(qiáng)；且均值間差異沒(méi)有達(dá)到顯著水平,表明降水量在不同年代際不同生育期差異顯著性水平未達(dá)到0.05。其中,2000—2009年降水量明顯低于其他年代,減少時(shí)期主要在抽穗期和成熟期,春玉米全育期內(nèi)降水量在2010—2018年變化速率最為明顯；從不同玉米生育期階段來(lái),近49年春玉米生育期降水量增長(zhǎng)主要表現(xiàn)在播種期和苗期,而春玉米在拔節(jié)期、抽穗期以及成熟期的降水量存在不同程度的降低,隨著降水減少、氣溫升高將對(duì)作物生物量積累和產(chǎn)量形成都有不利影響。

表4 1970—2018年各個(gè)年代際遼寧省春玉米不同生育期(HDD)平均值及氣候傾向率

表5 1970—2018年各個(gè)年代際遼寧省春玉米不同生育期降水量平均值及氣候傾向率

圖4 1970—2018不同年代春玉米全育期生長(zhǎng)度日(HDD)空間分布Fig.4 Heat degree days (HDD) spatial distribution of growing day of spring maize in 1970—2018 from different eras

遼寧省春玉米1970—2018年不同年代際全育期降水量空間分布如圖5所示。近49年,遼寧省春玉米全育期降水量在不同年代際間變率大,空間上呈東南—西北遞減趨勢(shì),其中中部地區(qū)年降水量變化較大,而西部和東部變化較小[45],主要是487.56—628.35 mm降水量的空間分布變化較大。遼寧省春玉米降水量在346.75—909.94 mm,高值區(qū)主要分布在寬甸和丹東等東南地區(qū),低值區(qū)主要分布葉柏壽和朝陽(yáng)等西北地區(qū),主要與遼寧省地形有關(guān),西北地區(qū)受海洋性氣候影響較小,氣溫高,蒸發(fā)旺盛[40,46]。不同年代際間遼寧省春玉米生育期年均降水量空間分布明顯變化,地區(qū)間存在明顯差異,與韓叢利對(duì)遼寧省洪澇災(zāi)害時(shí)間變化特征分析中提到的降水在時(shí)空上分布差異的研究結(jié)果一致[47]；1990—1999年遼寧省春玉米全育期內(nèi)整體降水量高于其他年代際；而2000—2009年降水量顯著減少?？傮w而言,近49年遼寧省春玉米生育期降水量空間分布差異不明顯,但與遼寧省春玉米生育期生長(zhǎng)度日GDD、高溫度日HDD的空間分布呈相反趨勢(shì)。

圖5 1970—2018不同年代春玉米全生育期降水量空間分布Fig.5 Spatial Distribution of precipitation in each growth period of spring maize in 1970—2018 from different eras

4 討論

以溫度升高和降水減少為主要標(biāo)志的遼寧省氣候暖干化現(xiàn)象對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)生了重要影響,高溫和干旱是限制農(nóng)作物生產(chǎn)的重要因子,其危害的嚴(yán)重度很大程度上取決于溫度[48- 49]。由于氣溫變化是導(dǎo)致作物生育期內(nèi)活動(dòng)積溫變化的直接原因,因此本文的熱量條件重點(diǎn)考慮了溫度,并未考慮日照輻射的影響。本文通過(guò)對(duì)遼寧省春玉米全育期GDD、HDD以及降水量在年代際上的時(shí)空變化特征及差異水平研究發(fā)現(xiàn),遼寧省春玉米全育期GDD、HDD呈不斷上升的趨勢(shì),雖然未來(lái)春玉米生產(chǎn)能夠獲得良好的熱量資源,但葉柏壽、朝陽(yáng)及鞍山等地極端高溫、干旱的風(fēng)險(xiǎn)極有可能大大增加,氣溫升高會(huì)加劇土壤蒸發(fā),引起土壤干旱,從而嚴(yán)重影響玉米產(chǎn)量[50]。此外,遼寧省春玉米全育期內(nèi)降水量呈現(xiàn)降低趨勢(shì),且西北部降水量較少,未來(lái)春玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)加大。

4.1 不同年代際遼寧省春玉米干燥度指數(shù)時(shí)空特征分析

農(nóng)業(yè)作為受干旱影響最顯著的部門之一,由于氣溫升高或者降水減少,作物不能從土壤或者空氣中獲得生長(zhǎng)發(fā)育足夠的水分,造成農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育不良,導(dǎo)致作物減產(chǎn)或者品質(zhì)下降的一種災(zāi)害現(xiàn)象[51]。前人對(duì)遼寧省玉米干旱研究頗多,但多集中在以Penman-Monteith、Z指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)等方法為基礎(chǔ)上的干旱風(fēng)險(xiǎn)研究[27,52],通過(guò)重點(diǎn)研究氣溫和降水組合條件下遼寧省春玉米生產(chǎn)的氣候條件,雖然春玉米全育期的熱量資源增加,但降水量在減少,表明遼寧省春玉米全育期水熱時(shí)空變化給玉米生產(chǎn)帶來(lái)了極端高溫、干旱等風(fēng)險(xiǎn)變化。在此背景下引入干燥度指數(shù)(Aridity index),對(duì)氣候變化下遼寧省春玉米在1970—2018年全育期發(fā)生干旱的風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行研究。

利用修訂后干燥度指數(shù)公式分析1970—2018年5個(gè)年代際遼寧省春玉米全育期干旱發(fā)生的時(shí)空變化特征,干燥度指數(shù)時(shí)空變化分布如圖6所示。近49年來(lái),遼寧省春玉米全育期在不同年代際干燥度指數(shù)空間分布不同,總體上由東南地區(qū)向西北地區(qū)增大,其中,東部地區(qū)整體變化不明顯,西部及中部地區(qū)在不同年代際分布不同；此外,遼西北地區(qū)干燥度指數(shù)最為顯著,高值中心出現(xiàn)在朝陽(yáng)、葉柏壽等地及周邊地區(qū)。其中,1970—1979年、2000—2009年干燥度指數(shù)空間分布特征基本一致；1980—1989年、2010—2018年干燥度指數(shù)空間分布特征基本一致；1990—1999年干燥度指數(shù)整體較低。據(jù)史料記載,1994、1997、2001以及2014年遼寧中部地區(qū)發(fā)生不同程度干旱事件,2000年遼寧省出現(xiàn)大面積干旱事件,2007年遭受了嚴(yán)重夏旱,2009年遼西北發(fā)生特大干旱事件[53-54]。結(jié)合GDD、HDD以及降水量的時(shí)空變化特征,1970—1989年間遼寧省春玉米全育期干燥度指數(shù)變化不大,高值區(qū)主要集中在西北地區(qū)。其中,1980—1989年瓦房店以南地區(qū)變化明顯,大連及周邊地區(qū)變化顯著。在此階段,西北地區(qū)GDD、HDD增高,降水量整體上變化不顯著。1990—1999年整體干燥度指數(shù)為近49年最低。在此階段,西北地區(qū)GDD增大,HDD由西北地區(qū)向東北增加,降水量整體由東南向西北增加,為近49年最多,因此干燥度指數(shù)較低。2000—2018年間干燥度指數(shù)較1990—1999年明顯增加,仍以遼西北地區(qū)最為顯著。在此階段,GDD以及HDD總體由西北向東南方向繼續(xù)增加,2000—2009年降水量明顯減少,2010—2018年降水量較上個(gè)階段有所增加,干燥度指數(shù)明顯增加。

圖6 1970—2018年不同年代春玉米全育期干燥度指數(shù)空間分布Fig.6 Spatial Distribution of aridity index in growing day of spring maize in 1970—2018 from different eras

綜上所述,遼寧省春玉米全育期干燥度指數(shù)在不同年代際存在差異,但GDD、HDD的持續(xù)增加并未使得干旱風(fēng)險(xiǎn)范圍發(fā)生明顯變化；同時(shí),降水量大范圍的減少,干燥度指數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定變化,結(jié)果表明GDD、HDD的升高以及降水量的減少可能帶來(lái)干旱風(fēng)險(xiǎn)；總體而言,遼寧省西北部地春玉米發(fā)生干旱風(fēng)險(xiǎn)性最高。

4.2 干燥度指數(shù)與GDD、HDD以及降水量的聚合分析

散點(diǎn)圖可以清晰展示數(shù)據(jù)的分布和聚合情況。1970—2018年遼寧省春玉米全育期干燥度指數(shù)和GDD、HDD以及降水量的散點(diǎn)分布圖如圖7所示。由圖7可知,干燥度指數(shù)和GDD沒(méi)有明顯聚合分布,GDD的升高不能引起干燥度指數(shù)的明顯變化,結(jié)果表明遼寧省春玉米全育期GDD的增長(zhǎng)引發(fā)干旱風(fēng)險(xiǎn)的可能性較低。干燥度指數(shù)和HDD呈現(xiàn)一定聚合分布,隨著HDD的增大,干燥度指數(shù)隨之增大,結(jié)果表明遼寧省春玉米全育期HDD的增高會(huì)造成一定程度的干旱事件。干燥度指數(shù)和降水量的聚合分布程度較高,降水量的減少會(huì)引起干燥度指數(shù)的明顯變化,結(jié)果表明遼寧省春玉米全育期降水量的減少引發(fā)干旱的風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖7 干燥度指數(shù)和GDD、HDD及降水量散點(diǎn)分布圖Fig.7 Scatter plot of aridity index and GDD、HDD and precipitation

綜上所述,遼寧省春玉米全育期GDD的增加引發(fā)干旱的風(fēng)險(xiǎn)性較低,而HDD的增長(zhǎng)以及降水量的減少對(duì)干旱發(fā)生的影響較大。因此,遼寧省應(yīng)通過(guò)優(yōu)化作物布局,調(diào)整種植結(jié)構(gòu),培育栽種技術(shù)以及改進(jìn)管理模式等措施應(yīng)對(duì)干旱風(fēng)險(xiǎn),例如,調(diào)整播種期,培育新品種,改進(jìn)灌溉技術(shù)等。而未來(lái)遼寧省春玉米如何應(yīng)對(duì)氣候變化,降低干旱風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策與措施還需要進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)論

(1)近49年春玉米全育期GDD以44.23 ℃·d/10a的速率上升,范圍在1317.29—1980.53 ℃·d之間波動(dòng),同時(shí)苗期、成熟期及全育期GDD在不同年代際間存在顯著差異；在空間分布上,1979—1999年間地區(qū)差異不大；從2000年開(kāi)始,地區(qū)間差異逐漸縮小,高值區(qū)向朝陽(yáng)、鞍山等地集中,低值區(qū)以清原、寬甸地區(qū)為中心。良好的熱量條件的增加有利于玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的提升。

(2)近49年春玉米全育期HDD以4.77 ℃·d/10a的速率上升,2000—2018年增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯,增長(zhǎng)期主要集中在抽穗期；在空間分布上,高值區(qū)主要集中在葉柏壽、朝陽(yáng)、鞍山等地,整體上以朝陽(yáng)為中心的遼西北地區(qū)高值區(qū)變化范圍明顯。HDD的增加將不利于春玉米生長(zhǎng),遼西北地區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性增加。

(3)近49年遼寧省春玉米全育期降水量整體以4.93 mm/10a的減少趨勢(shì),各個(gè)年代際間變化明顯,拔節(jié)期、抽穗期及成熟期降水年際變化大,波動(dòng)性強(qiáng)；空間上,降水量由東南沿海向西北方向遞減,其中中部地區(qū)年降水量變化較大,不同年代際間地區(qū)差異明顯,1990—1999年降水量分布變化較大。

(4)遼寧省春玉米全育期干燥度指數(shù)在不同年代際存在差異。從空間分布上,GDD、HDD的對(duì)干旱風(fēng)險(xiǎn)范圍變化不明顯,但降水量大范圍的減少,干燥度指數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定變化；從干燥度指數(shù)與GDD、HDD以及降水量的聚合分析看,遼寧省春玉米生育期GDD的升高對(duì)干旱風(fēng)險(xiǎn)影響較小,而HDD的升高和降水量的減少引發(fā)干旱的風(fēng)險(xiǎn)性較高。

(5)雖遼寧省春玉米全育期GDD、HDD近49年來(lái)呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì),高值區(qū)多集中在朝陽(yáng)、葉柏壽等西部地區(qū)；但降水量呈現(xiàn)降低趨勢(shì),且西北部降水量較少,未來(lái)西部地區(qū)春玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)加大。下一步有必要針對(duì)農(nóng)業(yè)氣候變化及其對(duì)農(nóng)業(yè)影響等開(kāi)展分區(qū)研究,在相對(duì)干旱地區(qū),可以通過(guò)擴(kuò)大旱田水澆地面積防御干旱威脅,減輕干旱影響；未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)遼寧省春玉米生產(chǎn)氣象條件的監(jiān)測(cè),同時(shí)提高玉米生產(chǎn)用水利用率和利用效率,降低干旱帶來(lái)的危害。